《电力电子技术(第5版)》课件03交流变换器.pptx

3.1 3.1 引引 言言u晶闸管单相和三相交流调压器u交流调功器和交流开关u交-交变频器交流调压器是将固定的交流电变换成输出电压有效值变化的交流电的装置控制方法：(1)相位控制方式在电源电压每半个周期中、通过控制晶闸管的导通角改变输出电压有效值缺点是随着触发角增大功率因数降低改变触发角(2)通断控制方式 即把晶闸管作为开关，通过改变通断周期数比达到调压的目的这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载；缺点是输出电压或功率调节不平滑改变导通周期数(3)斩波控制方式 利用开关管的开关作用，以远高于交流电频率的开关频率，通过改变通断时间比，改变输出的交流电有效值，达到调压的目的开关管应采用全控型电力电子器件改变通断时间比3.2 3.2 相控交流调压器相控交流调压器3.2.1 单相交流调压器 1 电阻性负载正半周时刻触发VT1，负半周时刻触发VT2，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波两只晶闸管的触发角的初始点分别定在电源电压每个半周的起始点VT1导通VT2导通输出电压有效值U与触发角的关系为电流有效值电路功率因数电路的移相范围为0当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电势阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与触发角有关，而且与负载阻抗角有关。

2 电感性负载当触发角为时，Ug1触发VT1导通，流过VT1管的电流i2有两个分量，即强制分量iB与自由分量iS，其强制分量为式中其自由分量为式中自由分量衰减时间常数，强制分量自由分量负载电流i2=iB+iS流过晶闸管的电流即负载电流为当 时，电压、电流波形如右图所示随着电源电压下降过零进入负半周，电路中的电感储藏的能量释放完毕，电流到零，VT1管才关断在t=0时触发晶闸管，t=时VT1关断，将t=代入上式可得边界条件当取不同的角时，=f()的曲线如下图所示， 超越方程！(1)当 时稳定分量iB与自由分量is如图(b)所示，叠加后电流波形i2的导通角180，正负半波电流断续， 愈大愈小，波形断续愈严重2)当 时当触发脉冲为窄脉冲时，则当Ug2出现时，VT1的电流还未到零，VT2管受反压不能导通；待VT1中电流变到零关断，VT2承受正压时，脉冲已消失，无法导通这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作所以，带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲触发，这样在 时，虽然在刚开始触发晶闸管的几个周期内，两管的电流波形是不对称的，但当负载电流中的自由分量衰减后，负载电流即能得到完全对称连续的波形，电流滞后电源电压角，导通180。

3)当= 时电流自由分量is=0，i2=iB；=180正负半周电流处于临界连续状态，相当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率，此时电流波形滞后电压 = 角相当于全压输出所以晶闸管的移相范围思考题：在上述2种情形下，输出电压和电流的波形是怎样的？综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点：带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变触发角可以改变负载电压有效值带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当 60）触发为了保证输出电压对称可调，应保持触发脉冲与电源电压同步 =0时的波形 触发角=0由于各相在整个正半周正向晶闸管全导通，负半周反向晶闸管全导通，负载上获得的电压仍为完整的正弦波触发角的起始点是电压过零点(1) 电阻性负载任何时间段有3个开关管导通每个晶闸管初始触发角在过零点 触发角=30各相电压过零30后触发相应晶闸管以U相为例，uu过零变正30后发出VT1的触发脉冲ug1，uu过零变负30后发出VT4的触发脉冲ug230时的导通特点：每管持续导通1503个开关管导通2个开关管导通 =30时的波形 触发角=60触发VT1时，VT5已经关断任何时候只有2个开关管导通。

60时的导通特点：每个晶闸管导通120；每个区间由两个晶闸管构成回路输出电压是导通两相线电压的一半60 90 半个周期输出电压3个区间 =60时的波形 触发角=90在触发VT1时，VT6还有触发脉冲，此时uuuv，VT1和VT6承受正压uuv而导通，电流流过VT1、u相负载、v相负载、VT6，一直到uu150以后，负载上没有交流电压输出当Ug1触发VT1时，由于uuuv，即，VT1、VT6承受反向电压，不能导通，因此输出电压为零每个开关管导通两次输出电压是线电压的一半该时刻之后uuuv每个开关管导通两次 =120时的波形 u输出电压表达式由于输出电压的波形在不同触发角范围内的组成不同，因此输出电压表达式也不同060609090150因此，=0时输出电压U2，增大则输出电压减小，=150时输出电压为0每相负载上的电压已不是正弦波，但正、负半周对称输出电压中只有奇次谐波，以三次谐波所占比重最大但由于这种线路没有零线，故无三次谐波通路，减少了三次谐波对电源的影响2)电感性负载三相交流调压器在电感性负载下的情况要比单相电路复杂得多，很难用数学表达式进行描述当三相交流调压器带电感性负载时，同样要求触发脉冲为宽脉冲，而脉冲移相范围为：0150。

随着增大，输出电压减小3.3 3.3 晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器 和交流开关和交流开关 相位控制使得输出电压波形出现缺角，包含较大的谐波分量为了克服这种缺点，可采用过零触发的通断控制方式，功率因数高控制方法：在设定的周期内，使晶闸管导通n个周期，然后断开m个周期，改变通断周期比，改变了负载功率因此这种装置也称为交流调功器 3.3.1 晶闸管交流调功器通断频率比电源频率低，所以调功器通常用于热惯性较大的负载如电阻加热炉等，如用于照明出现人眼能察觉到的闪烁、电表指针出现摇摆等右图为通断工作方式，如在设定周期Tc内导通的周波数为n，每个周波的周期为T，调功器的输出功率是因此改变导通周波数n即可改变电压和功率思思考考题题：通通断断方方式式下下晶晶闸闸管管额额定定电电压压和和额定电流如何计算的？额定电流如何计算的？ 晶闸管交流开关是一种快速、无触点的交流开关，其电路与相控交流调压器一样通过控制触发晶闸管使交流电路导通，移去触发信号使晶闸管在电压过零后不再导通，从而关断电路由于是无触点开关，因此晶闸管交流开关特别适用于操作频繁、可逆运行的场合，也可在有易燃气体、多粉尘等易爆场合使用 为防止晶闸管导通过程的电流冲击，应该在交流电源过零点触发晶闸管。

晶闸管交流开关也称为固态开关3.3.2 晶闸管交流开关第第3 3章作业一章作业一习题三习题三3-13-13-33-33-53-53-83-83.3.4 4 交交- -交变频器交变频器3.3.4 4.1 .1 单相交- -交变频器 1 1 电路组成和工作状态（1 1）电路组成 单相交-交变频器由两组反并联的晶闸管整流器构成 单相交-交变频器的主电路及输出电压波形 （2）工作状态u t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁 t1 t2：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正 t2t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负u t3t5期间：io负半周，反组工作，正组被封锁 t3t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正 t4t5：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负小结：哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关 工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向共同确定2.变频器类型和工作原理（1）方波形交-交变频器当正组供电时，负载上流过正向电流；当反组供电时，负载上流过反向电流如果在各组工作期间角不变，则输出电压为矩形波交流电压改变正反组切换频率可以调节输出交流电的频率，而改变的大小即可调节矩形波的幅值。

电感性负载两组如何工作？如何调压？如何变频？(2)正弦波形交-交变频器在触发角从，输出的平均电压为正按正弦规律变化，触发角从，输出电压平均值为负按正弦规律变化l输出电压有效值的调节：使触发角从，改变0，就改变了输出电压的峰值，也就改变了输出电压的有效值；l输出频率的调节：改变变化的速率，也就改变了输出电压的频率u同样，那组整流器工作有电流方向决定交-交变频器的输出电压是由若干段电源电压拼接而成的在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波如何调压？如何变频？正弦型交-交变频器的输出电压和电流的波形 第1段io0，反组逆变第2段电流过零，为无环流死区第3段io0，uo0，正组整流第4段io0，uo0，正组逆变第5段又是无环流死区第6段io0，uo0，为反组整流3.余弦交点法最常用的方法是余弦交点法，该方法的原则是：触发角的切换应使得整流输出电压的瞬时值与理想正弦电压的瞬时值误差最小正弦波形交-交变频器适合于低频大功率的电气传动系统，最高输出频率是输入频率的1/3或1/24输入输出特性(1)输出上限频率交-交变频器的输出电压并不是平滑的正弦波形，而是由若干段交流电源电压拼接而成的。

在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波交流电路采用6脉波的三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的1/31/22)输入功率因数交-交变频器的输出是通过相位控制的方法来得到的，因此在输入端需要提供滞后的无功电流因为在输出电压的一个周期内，角是从0到90之间不断变化的输入功率因数较低，是交-交变频器的一大缺点三相半波电路的最高输出频率是？5 5 单相交- -交变频器将两组三相可逆相控整流器反并联即可构成单相交-交变频器三相半波相控整流器组成的单相交-交变频器 三相桥式相控整流器组成的 单相交-交变频器 3.4.2三相交-交变频器三相交-交变频器电路是由三组输出电压相位互差的单相交-交变频器组成的1. 1. 电路连接方式(1) (1) 公共交流母线进线方式 (2)输出星形连接方式由于变频器输出端中点不和负载中点相连接，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少要有不同相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流 如何改相序？n交-交变频器的特点交-交变频器由于其直接变换的特点，效率较高，可方便地进行可逆运行主要缺点是：功率因数低主电路使用晶闸管元件数目多，控制电路复杂，调试也比较复杂。

变频器输出频率受到其电网频率的限制，最大变频范围在电网二分之一以下交-交变频器一般只适用于球磨机、矿井提升机、电动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合第第3 3章作业二章作业二习题三习题三3-93-93-103-10 小小 结结 我国人均占有的能源远远低于世界平均水平，随着我国经济的快速增长，对能源的需求越来越大在能源相对紧缺的情况下，节能降耗具有重大的意义交流调压器对风机泵类负载有节能降耗的作用，低速大容量的交- -交变频器也有很好的节能效果交- -交变换器不仅在节能降耗方面应用广泛，而且在安全生产中也起到重要的作用，交流固态开关应用在粉尘、易爆场合可以避免有触点开关产生的火花，防止火灾事故，保护生产场所的安全运行和人民生命财产的安全 小小 结结 改变反并联晶闸管的触发角，就可方便地实现交流调压当带电感性负载时，必须防止由于触发角小于阻抗角造成的输出交流电压中出现直流分量的情况改变晶闸管的通断周期比，以实现交流调压或调功过零触发克服了相控有较大谐波分量的不足交-交变频不通过中间直流环节而把工频交流电直接变换成不同频率的交流电根据触发角变化方式的不同，有方波形交-交变频器、正弦波形交-交变频器之分，交-交变频器效率较高；但功率因数较低，输出电压的频率较低。